Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 6 (3): e256. Julio-Septiembre, 2023. https://doi.org/10.37636/recit.v6n3e256
ISSN: 2594-1925
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Sustrato de hidrogel de celulosa modificado con
macroporosidad mediante microtomografía
computarizada e impresión 3D para cultivo sin suelo
Cellulose hydrogel substrate modified with macroporosity by
computed microtomography and 3D printing for soil-less
cultivation
Ángel Iván Belmonte Torres , Julián Israel Aguilar Duque , Guillermo Amaya Parra
Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Diseño, Universidad Autónoma de Baja California, Ensenada,
Baja California, México
Autor de correspondencia: Guillermo Amaya Parra, Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Diseño,
Universidad Autónoma de Baja California, Ensenada, Baja California, México. E-mail:
amaya@uabc.edu.mx. ORCID: 0000-0001-5375-1092.
Enviado: 10 de Mayo del 2023 Aceptado: 31 de Julio del 2023 Publicado: 17 de Septiembre del 2023
Resumen. El cultivo sin suelo es una técnica de la agricultura que permite un mayor rendimiento en
los cultivos, mostrando varias ventajas sobre la agricultura tradicional, esta técnica requiere de
mejoras en los sustratos utilizados para obtener mayor producción y calidad. Los hidrogeles
derivados de celulosa prometen ser una buena alternativa como sustrato por sus propiedades
hidrofílicas sin embargo carecen de una buena aireación. Se propone utilizar la celulosa como
materia prima para la síntesis de hidrogeles a base de celulosa asistido por la microtomografía
computarizada para generar un modelo con una porosidad de 15-30% y reproducirlo mediante
impresión 3D por procesamiento de luz digital (DLP). Por lo tanto, se busca obtener un sustrato de
hidrogel de celulosa con mejores propiedades que los sustratos comerciales, e implementar la
impresión 3D en la agricultura.
Palabras clave: Hidrogel de celulosa; Sustrato; Impresión 3D; Cultivo sin suelo; Microtomografía
computarizada.
Abstract. Soilless cultivation is an agricultural technique that allows higher crop yields, showing
several advantages over traditional agriculture, this technique requires improvements in the
substrates used to obtain higher production and quality. Cellulose-derived hydrogels promise to be a
good alternative as substrate due to their hydrophilic properties; however, they lack good aeration. It
is proposed to use cellulose as raw material for the synthesis of cellulose hydrogels assisted by
computerized microtomography to generate a model with a porosity of 15-30% and reproduce it by
3D printing by digital light processing (DLP). The aim is to obtain a cellulose hydrogel substrate with
better properties than commercial substrates, and to implement 3D printing in agriculture.
Keywords: Cellulose hydrogel; Substrate; 3D printing; Soilless culture; Computed microtomography.
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1. Introducción
En la agricultura, la creciente escasez de tierra
cultivable y el aumento de las condiciones
climáticas extremas ha llevado a que una gran
proporción de cultivos, especialmente
hortalizas, se cultiven con métodos de cultivo
protegidos sin suelo para proporcionar a las
personas alimentos suficientes y de alta calidad
[1].
La agricultura del siglo XXI presenta el gran
desafío de producir el suficiente alimento para
una población cada vez mayor, de acuerdo con
la FAO (Organización de las Naciones Unidas
para la Alimentación y la Agricultura)”.
Las proyecciones muestran que para alimentar
una población mundial de 9 100 millones de
personas en 2050 sería necesario aumentar la
producción de alimentos en un 70 %” [2].
Esto implica aumentar la superficie de tierra
destinada a la agricultura, de aproximadamente
5 000 megahectáreas (Mha) a nivel mundial o
el 38 % de la superficie de tierra mundial [3].
Tomando en cuenta que la agricultura
tradicional puede ser una fuente importante de
contaminación ambiental.
El uso excesivo de fertilizantes, pesticidas y
herbicidas puede contaminar el suelo, el agua y
el aire, lo que puede tener efectos negativos en
la salud humana y el medio ambiente [3], por lo
que aumentar el área cultivable del planeta
podría ser muy contraproducente.
El cultivo sin suelo es una técnica de cultivo en
la que no se requiere del suelo. En comparación
con las técnicas agrícolas tradicionales, el
cultivo sin suelo tiene como objetivo reducir el
uso de la tierra, el consumo de agua y aumentar
el rendimiento por unidad de superficie [4].
En el cultivo sin suelo, el sustrato remplaza el
suelo (la tierra), el suelo natural suele ser poco
adecuado para el cultivo debido a limitaciones
químicas (reacción, disponibilidad de
nutrientes, etc.), físicas (densidad, estructura,
retención de agua, etc.) o biológicas (presencia
de hongos, virus, bacterias etc.) [5], en cultivo
sin suelo, todos los nutrientes se suministran a
las plantas mediante una solución nutritiva
suficiente para satisfacer las demandas de las
plantas.
La composición de la solución significa la
concentración de cada ion nutriente en la
solución, esta técnica tiene la capacidad de
controlar la disponibilidad de agua, el pH y las
concentraciones de nutrientes en la zona de
raíces [6, 7].
De esta manera no hay un uso excesivo de
fertilizantes por lo que impacto ambiental es
mucho menor.
Uno de los componentes principales de esta
técnica es el sustrato, los sustratos se definen
como todos aquellos materiales utilizados solos
o mezclados adecuadamente que pueden
proporcionar al sistema radicular mejores
condiciones (en términos de uno o más
aspectos del crecimiento de la planta) que las
que ofrece la tierra [8].
Estos sustratos son contenidos en una maceta o
bolsa de polietileno que esta conectado a un
sistema recirculante donde viaja la solución
nutritiva cíclicamente, los sustratos
comerciales utilizados actualmente se dividen
en sustratos orgánicos (fibra de coco, turba,
restos de madera, cascarilla de arroz, entre
otros) y sustratos inorgánicos (perlita, lana de
roca, piedra volcánica, arena, etc.), dichos
sustratos suelen presentar algunas deficiencias
como una compactación del sustrato [9, 10] en
el caso de los organicos, la necesidad de
tratamientos químicos para que el sustrato sea
inerte en la fibra de coco [11, 12].
En los últimos años, los investigadores
informaron que los hidrogeles naturales a base
de celulosa pueden servir como medios de
cultivo para conservar el agua y los nutrientes,
por lo tanto, tienen un gran potencial en el
cultivo sin suelo para el crecimiento de las
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hortalizas [13–15], debido a su propiedad de
retención de agua, los hidrogeles tienen la
capacidad de mejorar la soltura y la porosidad
del suelo, mejorar la capacidad de acumulación
de humedad y promover la capacidad de los
sistemas de raíces de las plantas, la
germinación de semillas y la supervivencia de
las plantas [15].
La Microtomografía Computarizada (Micro-
CT) es una técnica de imágenes en 3D que
utiliza rayos X para ver el interior de un objeto,
corte por corte.
Las muestras se pueden visualizar con tamaños
de píxeles tan pequeños como 100 nm y los
objetos se pueden escanear con un diámetro de
hasta 200 milímetros. Estos cortes pueden
procesarse aún más en modelos 3D e incluso
imprimirse como objetos físicos 3D para su
análisis [16].
Se ha reportado el uso de Micro-CT para
obtener modelos digitales que se pueden
imprimir en 3D con una alta porosidad [17],
[18] sin embargo, estos modelos fueron
impresos con nylon y resina.
La manufactura aditiva (AM), mejor conocida
como impresión 3D, es un proceso de
fabricación en el cual se construye un objeto
tridimensional capa por capa. Uno de los
principales beneficios de la AM es la capacidad
de producir objetos altamente personalizados y
complejos.
La AM no tiene restricciones geométricas, lo
que significa que puede producir formas y
tamaños personalizados sin necesidad de
herramientas de producción adicionales [19].
Existen varias técnicas de la AM, como el
procesamiento de luz digital (DLP) que ya han
sido probadas utilizando hidrogeles para
aplicaciones médicas en ingeniería de tejidos
[20–22].
Sin embargo, en la literatura las aplicaciones
reportadas en horticultura son casi nulas. Se
busca modelar un material poroso que cumpla
con las macroporosidad necesaria en un
sustrato mediante micro-CT, sintetizar un
hidrogel de celulosa en solución acuosa con
propiedades químicas y biológicas adecuadas
para un sustrato
, y reproducirlo por DLP para obtener un
sustrato con una macroporosidad ideal que
permita una buena aireación en la raíz, sin
perder retención de agua, esto permitirá
obtener un medio de anclaje para la planta con
mejores propiedades físicas, químicas y
biológicas.
2. Estado del arte
2.1. Sustratos
Un punto importante en la clasificación de
sustratos es su capacidad de intercambio
catiónico C.I.C, existen sustratos
químicamente inertes y activos.
Un sustrato químicamente activo es aquel que
tiene la capacidad de proporcionar nutrientes a
las plantas, es decir, que actúa como fuente de
nutrientes.
Como la lana de roca, la fibra de coco y la
perlita, que pueden contener nutrientes
esenciales para el crecimiento de las plantas
[23].
Por otro lado, un sustrato químicamente inerte
es aquel que no proporciona nutrientes a las
plantas, es decir, que no actúa como fuente de
nutrientes.
Como la arena, la vermiculita y la arcilla
expandida, que no contienen nutrientes
esenciales para el crecimiento de las plantas
[24].
Un sustrato químicamente inerte es mejor ya
que los nutrientes requeridos por la planta son
proporcionados por la solución nutritiva
formulada para el cultivo, de esta manera se
obtiene un mejor control de sobre nuestros
cultivos dándole justo lo que necesita.
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Los sustratos por lo general, son confinados en
una maceta o bolsa de polietileno, son
suministrados mediante un sistema de goteo el
cual proporciona la solución nutritiva a la
planta, este sistema puede ser abierto (las
plantas se alimentan continuamente con
solución nutritiva nueva, sin recuperar la
solución drenada por los módulos de cultivo) o
un sistema cerrado (la solución nutritiva
drenada se recicla y se rellena con los nutrientes
que faltan hasta alcanzar el nivel de EC
adecuado) [25] siendo el sistema cerrado mas
amigable con el medio ambiente ver imagen 1.
Imagen 1: Cultivo De Arándano Sin Suelo Extraído de [26]
Cualquier material orgánico, inorgánico o
sintético puede servir como sustrato, siempre y
cuando cumpla con ciertas condiciones ver
tabla 1. “No existe un sustrato o mezcla
universal que sea válido para todas las especies
y en todas las situaciones de cultivo.
Por lo tanto, es conveniente seleccionar
cuidadosamente los materiales individuales en
función de las diferentes condiciones en las que
se van a utilizar: el entorno, las especies que se
van a cultivar, la fase de cultivo (germinación,
enraizamiento de esquejes, producción de
plantas, cultivo de plantas) y el sistema de
cultivo” [8].
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Tabla 1. Propiedades óptimas para un sustrato [10, 27–29].
Definición
Valor óptimo
Propiedades físicas
Expresa a la distribución de las partículas como porcentaje de la masa de cada
fracción de tamaño, en relación con la masa total seca al aire.
---------------------------------
Expresa la relación de la masa del material seco y el volumen real ocupado por las
partículas, sin incluir el espacio de poros intermedio.
1,45 - 2,65 g.cm-3
Masa del volumen del sustrato definida como la relación entre la masa del material
seco y el volumen ocupado, incluido el espacio de poros intermedio.
0,50 a 0,75 g.cm-3
Es el volumen total del sustrato de cultivo no ocupado por partículas orgánicas o
minerales, El total de poros se mide en microporos, que son los encargados de retener
el agua, y los macroporos que permiten la correcta aireación y drenaje del sustrato.
85% o superior. Tamaño de
microporo 0.2 a 30 μm. Tamaño
de macroporo 50-500 μm
Es la proporción de volumen de sustrato de cultivo que contiene aire después de que
dicho sustrato ha sido saturado con agua y dejado drena, capacidad de suministrar
oxígeno a las raíces
10-30%
Es el volumen de agua que libera el sustrato al aumentar la tensión de succión de 10
a 50 cm de columna de agua
20-30%
Es la cantidad de agua (% de volumen) que libera un sustrato al pasar de 50 a 100
cm de columna de agua de desorción.
Valor óptimo es del 4-10%.
Viene dada por la suma del agua fácilmente disponible más el agua de reserva.
24 y el 40% de volumen.
Las partículas pequeñas hacen disminuir la porosidad y aumentar la cantidad de agua
retenida. En un sustrato, es también importante la distribución del tamaño de sus
partículas.
El material más adecuado es el
de textura media a gruesa, con
distribución de tamaño de los
poros entre 30 y 300 micras
Que permita una buena durabilidad del material y una manipulación adecuada.,
servir de soporte a la raíz
------------------------
Propiedades químicas
Se define como la suma de cationes que pueden ser adsorbidos por unidad de peso
del sustrato, es decir, la capacidad de retener cationes nutrientes e intercambiarlos
con la solución acuosa.
Baja o nula actividad C.I.C.
Cantidad de nutrientes iniciales que tiene el sustrato (antes de agregar solución
nutritiva)
Casi nulo o sin ningún nutriente
inicial
Concentración de sales existente en el sustrato cuando es suministrado
Nulos (inicialmente) e valores
de conductividad eléctrica
superior a 3.5 mS/cm son
excesivamente altos
El PH influye en la asimilabilidad de los nutrientes por la planta. Un PH muy acido
puede provocar una deficiencia de macronutrientes, mientras que un PH alcalino
provoca deficiencia de micronutrientes
Entre 5.5 y 6.8 (varía
dependiendo el cultivo)
es una relación entre el contenido de carbono y de nitrógeno en una sustancia. Tener
mucho contenido en nitrógeno frente a carbono en el suelo o viceversa reduce el
potencial que podemos obtener de nuestros cultivos y es algo fácilmente corregible
Depende de la solución nutritiva
Propiedades biológicas
La descomposición de los sustratos se da generalmente en los orgánicos, siendo
deseable para el manejo de sistemas de cultivo sin suelo que tengan una baja
velocidad de descomposición por degradación biológica
Que sea de larga duración
Se conocen determinadas sustancias existentes en los sustratos orgánicos que tienen
un cierto efecto estimulador sobre el crecimiento de las plantas.
Se soluciona con la solución
nutritiva
No debe contener patógenos (hongos, nematodos, Bacterias y virus), y semillas de
malezas
No aplica
Compuestos, de origen natural o antropogénico, que impiden el normal crecimiento
y desarrollo de uno o más tipos de plantas cuando estas son expuestas a una dosis
determinada de dicho compuesto, pudiendo llegar a provocar la muerte del vegetal
Baja o nula
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2.2. Celulosa
La celulosa es un polisacárido compuesto
exclusivamente de moléculas de glucosa es
rígido, insoluble en agua, y contiene desde
cientos hasta varios miles de unidades de β-
glucosa. La celulosa es la biomolécula orgánica
más abundante ya que forma la mayor parte de la
biomasa terrestres [30], Cuenta con excelente
biocompatibilidad y biodegradabilidad y se
puede obtener de muchos desechos agrícolas [31]
.Esto lo vuelve un material prometedor para ser
utilizado como sustrato.
2.3. Hidrogeles naturales
Los hidrogeles son redes poliméricas que tienen
un alto nivel de hidratación y microestructuras
tridimensionales que tienen similitudes con los
tejidos naturales, ofreciendo una variedad de
características como microestructurado
intrínseco que promueven el transporte de cargas
iónicas y moléculas [32].
De acuerdo con Burket [33] es posible diseñar y
sintetizar redes de polímeros con control a escala
molecular sobre la estructura, como la densidad
de reticulación con propiedades personalizadas,
como la biodegradación, la resistencia mecánica,
la respuesta química y biológica a los estímulos.
pueden responder a diferentes estímulos como
temperatura, pH, luz, fuerza mecánica, entre
otros.
En la actualidad, hay pocos informes sobre
hidrogel como sustratos de cultivo sin suelo
directamente. Por lo tanto, es muy necesaria la
fabricación de hidrogel para el cultivo sin suelo
de forma ecológica [13], lo cual abre una gran
área de oportunidad para el desarrollo de
hidrogeles naturales como sustrato, que a
diferencia de hidrogeles sintéticos estos tienen la
característica de ser biocompatibles bajos niveles
de toxicidad, biodegradables y de bajo costo.
Sin embargo, en comparación con sus
contrapartes sintéticas estándar, los hidrogeles
naturales muestran propiedades mecánicas más
bajas [34], esto puede afectar la resolución del
modelo impreso en 3D.
2.4. Hidrogel de Celulosa
Los hidrogeles de Celulosa tienen la capacidad
de ser utilizados como sustrato solos o
mezclados, puede mejorar la retención de agua
en el suelo y dar un buen anclaje radicular. El
hidrogel de acetato de celulosa [35] y Hidrogel a
base de paja de trigo (fuente de celulosa y
lignina) [36] puede mejorar la retención del agua
del suelo y liberar fertilizante de manera
controlada, en este caso hablamos de 2 hidrogeles
químicamente activos que tiene la función de
acondicionar el suelo para afrontar sequias, que
podrían ser utilizados como sustrato.
Es importante mencionar que el hidrogel de
celulosa puede ser químicamente inerte o activo,
dependiendo del tratamiento al que se someta
durante su producción. En general, la celulosa es
un polímero naturalmente inerte y no reacciona
químicamente con otros compuestos. Sin
embargo, los hidrogeles de celulosa se pueden
fabricar a partir de diferentes tipos de celulosa y
mediante diferentes procesos de modificación
química para mejorar sus propiedades [37]. Es
importante seleccionar la fuente de la celulosa,
así como el reticulatnte e iniciador [33], para
nuestro caso de estudio, buscamos que nuestro
hidrogel tenga una C.I.C baja o nula.
2.5. Hidrogel de Carboximetilcelulosa
La carboximetilcelulosa (CMC) es un derivado
de la celulosa obtenido por modificación
química. Se obtiene reemplazando el grupo
hidroxilo en las cadenas de glucopiranosa de la
celulosa con los grupos carboximetilo (-
CH2COOH) [38]. La CMC cuenta con
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propiedades mecánicas aceptables, es altamente
hidrofílico su PH es ajustable, tiene una buena
capacidad de formación de hidrogel bajo control
químico y biocompatibilidad. Además, que es
biocompatible y biodegradable debido a su
naturaleza por lo que este material es aprobado
por la FDA (Food and Drug Administration) [39–
41].
Los hidrogeles de CMC ya han sido utilizados
para la fabricación de andamios en ingeniería de
tejidos, existen varios informes sobre su
aplicación como tintas de base biológica para
AM [42].
Figura 1. El número de publicaciones sobre la aplicación de nanocompositos CMC en fabricación aditiva [42].
2.6. Microtomografía computarizada de rayos X
En los artículos [43, 44] los autores describen
cómo utilizaron imágenes de tomografía
computarizada de alta resolución de materiales
porosos para crear modelos virtuales de las
estructuras de poros. Se utilizó micro-
estereolitografía (micro-SLA) en ambos casos,
técnica de impresión 3D para producir las
réplicas de las estructuras de poros utilizando
Nylon 12 y resina fotosensible. Estas réplicas
permitieron a los investigadores crear
microcosmos con geometrías de poros altamente
controladas y precisas. En [44] se hicieron
pruebas de las propiedades hidráulicas y de
retención de agua de las réplicas impresas en 3D
en comparación con el suelo original.
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Figura 2. La tomografía computarizada de rayos X permite la visualización del volumen sólido (a) y el volumen de poro (b) a
una resolución espacial de 30 μm [43].
Esta técnica podría permitirnos replicar un
material altamente poroso para aplicaciones en
el cultivo sin suelo, hay que tener en cuenta que
un hidrogel tiene la propiedad de retención de
agua debido a su microporosidad, sin embargo un
sustrato ideal se conforma de una porosidad total
mayor al 85% con un 40–60 % de microporos
(que retienen agua) y 15–30 % de macroporos
(drenan el agua y permiten que fluya el aire) [17],
esto es importante para obtener un buen drenaje
y la solución nutritiva circule, evitando un estress
hídrico y aparición de algas.
Savvass [45] reporto un hidrogel macroporoso de
agarosa como sustrato para germinación de
microvegetales, los autores utilizaron un método
de fabricación de hidrogel de agarosa con
partículas de sílice porosas como agentes de
reticulación. Estas partículas de sílice porosas se
mezclaron con la solución de agarosa antes de la
solidificación para crear una estructura de
agarosa-sílice porosa. Después se removieron
para dejar una red interconectada de macroporsos
en la estructura del hidrogel, aumentando el
rendimiento del cultivo en un 54%. Si se logra
modelar un material poroso mediante Micro-CT
podríamos obtener un resultado similar, pero con
mayor precisión.
2.7. Impresión 3D con hidrogel
Los hidrogeles impresos en 3D facilitan las
aplicaciones de materiales de gel en diversos
campos [46] (figura 3).
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Figura 3. Impresión 3D de hidrogeles y sus aplicaciones versátiles en campos biomédicos y de ingeniería [46].
Los hidrogeles junto con los procesos AM tienen
el potencial de crear sustratos de cultivo sin suelo
[47], esto sería un área de oportunidad para la
AM en la agricultura, pues esta técnica permite
un control arquitectónico de los hidrogeles con
alta precisión, con el potencial de integrar aún
más los elementos que permiten el cambio de las
configuraciones del hidrogel [44]. Lo cual podría
ser un área de oportunidad en las ciencias
agrícolas.
Un estudió de impresión volumétrica de tejidos
[48] reportó que en los procesos DLP
(procesamiento de luz digital) el tiempo de
impresión aumenta linealmente en función de la
altura de la construcción, independientemente
del área a imprimir en cada capa individual. Por
lo tanto, las tecnologías DLP tienen un potencial
prometedor para usarse en la reproducción de
sustratos de hidrogel a partir de modelos de
Micro-Ct que equilibren la resolución y la
velocidad de impresión.
la impresión DLP por lo general, utiliza una
fuente de luz para curar selectivamente una
resina líquida fotosensible en capas sucesivas
hasta que se forma un objeto sólido en 3D. La
imagen digital de la pieza deseada se proyecta a
través de una pantalla LCD o DMD (Dispositivo
de Microespejos Digital) y se enfoca en la capa
de resina líquida fotosensible. El proceso se
repite para cada capa hasta que se completa toda
la pieza deseada [48].
En cuanto hidrogeles, las sustancias que se
utilizan como tintas o biotintas deben tener
ciertas propiedades. Lo más importante es tener
una formulación que se pueda cargar e imprimir
en la celda que tenga la viscosidad óptima
durante el proceso de impresión y que pueda
solidificarse en la estructura y el esqueleto
deseados después de la impresión [49].
El fundamento de la impresión 3D tipo VAT se
basa en la fotopolimerización, se requiere de
monómeros/oligómeros en estado líquido que
pueden curarse/fotopolimerizarse al exponerse a
una fuente de luz de longitud de onda específica
y formar termoestables [50], Se requiere un
fotoiniciador o un sistema fotoiniciador (con
coeficientes de absorción relativamente altos)
para convertir la energía fotolítica en especies
reactivas (radicales o cationes) que pueden
impulsar el crecimiento de la cadena a través de
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un mecanismo radical o catiónico. Por lo general
en el rango UV [51].
Existen una variedad de fotoiniciadores, cada
uno con su espectro de absorción único, y
continuamente se desarrollan más. Un fotón de
una fuente de luz excita o disocia el fotoiniciador
en un estado radical de alta energía. Este radical
luego induce la polimerización de una solución
de macrómero, Sin embargo, la creación de una
especie radical de alta energía en este sistema
crea el potencial de daño oxidativo [52] lo que
radica en citotoxicidad y enfermedades
cancerígenas [53].
Por lo que es de vital importancia la elección de
un fotoiniciador con una toxicidad muy baja.
Para este estudio se revisaron hidrogeles de CMC
ya estudiados en el área médica, debido a la falta
de información relacionada al tema en la
agricultura, En el artículo [54] los autores
reportan un hidrogel de CMC metacrilado con
nanocristales de celulosa con ácido
bismesitoilfosfínico (BAPO-OH) como
fotiniciador.
En [55] se utilizó carboximetilcelulosa
metacrilada (M-CMC) y fenil-2,4,6-
trimetilbenzoilfosfinato de litio (LAP) como
fotoiniciador.
2.7. Porosidad en hidrogeles
La porosidad es la fracción volumétrica de poros
del material. Estos poros pueden situarse en su
superficie o en su estructura interna. La
porosidad está asociada con la densidad del
material, y con la naturaleza de sus compuestos y
la existencia de espacios vacíos entre ellos [56].
Un material poroso se define como cualquier
sólido con una estructura porosa que le aporte
cierta funcionalidad [57]. Los diferentes
materiales porosos incluyen metales, cerámicos y
polímeros, son de gran importancia en
aplicaciones industriales, en la química, la
ingeniería mecánica, la biotecnología y la
electrónica. La mayoría de estas aplicaciones
exigen la existencia de porosidad abierta e
interconectada, tal es el caso de filtros y
membranas. Por su parte, la porosidad cerrada es
útil en aplicaciones como aislantes térmicos y
acústicos y componentes estructurales de baja
densidad [58].
Dependiendo el tipo de porosidad se puede
clasificar según la comunicación de los poros y
según su origen, por ejemplo:
Según la comunicación de los poros
Porosidad efectiva: También conocida
como porosidad interconectada o porosidad
abierta, se denomina así al porcentaje de espacio
vacío (poros) conectados entre sí, es decir que se
pueden comunicar uno con otro, con respecto al
volumen total de la roca. Este tipo de porosidad
facilita la circulación de los fluidos por las rocas.
Porosidad no efectiva: También
conocida como porosidad no interconectada o
porosidad cerrada, se denomina así al porcentaje
de espacio vacío (poros) que no están conectados
entre sí, es decir poros aislados o cerrados, por lo
tanto, el fluido no podrá salir ni desplazarse por
esta zona.
Porosidad absoluta: También conocida
como porosidad total, se denomina así al
porcentaje del espacio vacío (poros) total, tanto
los poros interconectados como los no
interconectados, con respecto al volumen total de
la roca, es decir es la sumatoria de la porosidad
efectiva y la no efectiva.
Porosidad parcial: Una combinación de
porosidad efectiva y no efectiva
Porosidad absoluta: También conocida
como porosidad total, se denomina así al
porcentaje del espacio vacío (poros) total, tanto
los poros interconectados como los no
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interconectados, con respecto al volumen total de
la roca, es decir es la sumatoria de la porosidad
efectiva y la no efectiva [59].
En el cultivo sin suelo el tamaño de los
macroporos en el sustrato es importante para
permitir un adecuado flujo de agua, oxígeno y
nutrientes a las raíces de las plantas. En este
rango de tamaño es necesario para asegurar un
drenaje adecuado y evitar la saturación del
sustrato, lo cual podría dañar las raíces y afectar
el crecimiento de las plantas.
En la fabricación de andamios de hidrogel para
ingeniería de tejidos, presenta ciertas similitudes
con los sustratos de hidrogel, la porosidad en los
andamios ayuda a la dirección de la formación
y función del tejido, esto permite una
distribución e interconexión celular homogénea
en los tejidos diseñados. Además, el aumento de
la porosidad puede tener un efecto beneficioso
sobre la difusión de nutrientes y oxígeno,
especialmente en ausencia de un sistema vascular
funcional [60].
A continuación, se presenta una comparación de
materiales solidos porosos que podrían ser
replicados mediante microtomografía tabla 2:
Tabla 2. Materiales porosos que pueden ser replicados mediante Micro-CT.
Nombre
Tipo de Porosidad
Diámetro de poro
% Porosidad
Ref.
Espumas de poliuretano
Porosidad efectiva
0.35-1.05mm
88.6%
[61]
Poliestireno
supermacroporoso (CPP)
Porosidad no efectiva
500 μm
91%
[62]
Poliestireno con
macroporos
interconectados
Porosidad efectiva
200 μm
interconectado con
20 μm
68-76%
[62]
Espuma de polietileno
Areniscas
Porosidad efectiva
5-65 μm
1-28%
[63]
Pumita
Porosidad efectiva
0.01-1mm
60-90%
[64]
Tezontle
Efectiva y no efectiva
138 μm
67.9%
[65]
Espuma de aluminio
Porosidad efectiva y no
efectiva
100 µm a 10000 µm
84 - 95 %
[66]
La porosidad de un hidrogel puede ser
aproximada mediante la ecuación (1)
POROSIDAD (%) = W2-
W1Vx100 (1)
Donde W1 y W2 son los pesos de un hidrogel
antes y después de sumergirlo en agua,
respectivamente. ρ es la densidad del agua y V el
volumen de un hidrogel [67].
Sin embargo, es importante tener en cuenta que
esta fórmula asume una porosidad total, es decir,
no distingue entre diferentes tamaños o tipos de
poros en el hidrogel. Si se desea determinar
información más detallada sobre la distribución
de tamaño de poro o porosidad específica,
pueden ser necesarios métodos de
caracterización más avanzados, como
porosimetría de mercurio y Microscopias
electrónicas.
3. Materiales y métodos
Para esta sección se plantea el uso de un hidrogel
ya reportado con ciertas modificaciones [55], se
utilizó sal sódica de CMC con anhídrido
12 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 6 (3): e256
metacrílico y fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinato
de litio como fotoiniciador, el pH será ajustado a
6, Se utilizara una impresora que opere con una
fuente de luz de diodo emisor de luz (385 nm) ,
se utilizó el archivo STL obtenido mediante
microtomografía computarizada de rayos X
(microCT) que cumpla con las características
necesarias (dimensiones de 10 a 50 mm,
porosidad interconectada con un diámetro de
100 a 500 μm) de manera que se obtenga una
porosidad total ≥ 85 % tomando en cuenta la
porosidad inicial del hidrogel, para una aireación
adecuada para la raíz.
Se utilizó Microscopia electrónica de barrido
(SEM) como método de caracterización
morfológico y complementaremos con una
caracterización de la porosimetria de mercurio,
para obtener la porosidad total y el diámetro de
la porosidad haya sido replicado correctamente,
espectroscopia infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR) para determinar la presencia de
grupos funcionales en la matriz del hidrogel
principalmente evaluar la toxicidad que podría
generar el fotoiniciador, relación aire-agua del
sustrato, permite conocer la curva de liberación
de agua del material. y pruebas de tracción
uniaxial para obtener un diagrama de tensión-
deformación para obtener el módulo de
elasticidad.
Se probó el hidrogel para el cultivo de hortalizas
locales y se evalúa el rendimiento tiempo de
crecimiento, y biomasa de cada órgano del
cultivo.
4. Resultados y discusiones
Se espera obtener un hidrogel como sustrato
producido por impresión 3D como una
alternativa a los sustratos convencionales que se
utilizan en el cultivo sin suelo, es posible
adecuar las propiedades químicas y biológicas
requeridas por los cultivos en este sustrato a base
de hidrogel de celulosa, y darle una estructura
favorable por medio de un modelo poroso
mediante Micro-CT y reproducirlo por DLP.
Con el desarrollo de esta investigación se
obtendrá un sustrato más adecuado para el
desarrollo de hortalizas de , lo cual se traduce a
una mayor producción de hortalizas, y la
implementación de un sustrato que mantenga un
balance de rendimiento y economía, por otro
lado, la implementación de la AM en la
agricultura, técnica poco utilizada en esta área a
diferencia de aeroespacial e ingenia de tejidos, lo
cual abre un área de oportunidad de innovación.
Dar a conocer las grandes ventajas del cultivo sin
suelo ante la agricultura tradicional como, el
ahorro de agua y fertilizantes, una alternativa
ante la contaminación del suelo, una técnica con
mayor valor en la comercialización de las
cosechas, una optimización de tiempo de cultivo
y espacio.
El uso de hidrogeles como sustrato para el cultivo
sin suelo es una propuesta prometedora para
aumentar el rendimiento en el cultivo sin suelo,
esta técnica presenta varias ventajas a diferencia
de la agricultura tradicional, recalcando el menor
uso del agua, menor uso de fertilizante y la
optimización del espacio.
Hasta la fecha solo el hidrogel de acrilato de
potasio es reconocido comercialmente,
implementar nuevos hidrogeles con propiedades
más adecuadas para el cultivo sin suelo tendría
un gran impacto en esta técnica debido a la
mejora del rendimiento del cultivo que el
hidrogel promete, sintetizar un hidrogel a partir
de celulosa es una ruta muy viable para obtener
un sustrato con buenas propiedades y económico,
además de la implementación de la impresión 3D
en la agricultura.
13 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 6 (3): e256
Un punto para considerar es que cada cultivo se
comporta diferente y tiene necesidades
específicas, la ventaja del uso de un hidrogel es
su capacidad de cambiar sus propiedades acordes
a los requerimientos del cultivo, se requiere de
más investigación para tener una base sólida de
que puede aportar el uso de hidrogeles al cultivo
sin suelo.
4. Conclusiones
Los Hidrogeles de celulosa son prometedores
para su uso como sustrato en el cultivo sin suelo,
estos hidrogeles cuentan con propiedades de
retención de agua, microporosidad y PH
ajustable, dichas características que la mayoría
de los sustratos utilizados actualmente carecen.
Por otro lado, la microtomografía computarizada
e impresión 3D podría ser una excelente adicción
para el desarrollo de dichos sustratos debido a su
versatilidad de fabricar arquitecturas complejas
que favorezcan el anclaje, aireación y desarrollo
de las hortalizas, sin embargo; se conoce muy
poco sobre el uso de la impresión 3D e hidrogel
para un uso afín a la hidroponía por lo que se
requiere de una investigación exhaustiva sobre
el tema, no obstante el uso de la manufactura
aditiva ha reportado avances en la producción
del uso de estas técnicas, aplicado en órganos
artificiales y andamios, la investigación sobre la
impresión 3D mediante fotopolimerizacion en
esta área ha crecido durante los últimos años, por
lo que da la oportunidad a una transferencia
interseccional, se estima un mayor rendimiento y
un medio mas adecuado para los cultivos.
5. Reconocimiento de autoría
Ángel Iván Belmonte Torres: Conceptualización,
Metodología, Análisis formal, Investigación,
Escritura - Borrador original, Escritura: revisión
y edición. Julián Israel Aguilar Duque:
Conceptualización, Metodología, Análisis
formal, Escritura, revisión y edición. Guillermo
Amaya Parra: Conceptualización, Análisis
formal, Escritura - Borrador original, Escritura:
revisión y edición, Supervisión.
14 ISSN: 2594-1925
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 6 (3): e256
Derechos de Autor (c) 2023 Ángel Iván Belmonte Torres, Julián Israel Aguilar Duque, Guillermo Amaya Parra
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